Les Signaux Sonores A. Quidelleur SRC1 Meaux 2007-2008 Culture Scientifique et Traitement de l’Information Module – Les Systèmes Audiovisuels et les Systèmes de Transmission Signaux sonores

Plan du module Semestre 1 Semestre 2 Principes des Filtres Signaux Sonores et Oreille Signaux Vidéo (analogiques) et Œil Semestre 2 Supports de stockage, normes et standards en Audiovisuel (analogique) Données Informatiques Techniques de Transmission Signaux sonores

Plan Les différentes pressions Les spectres des signaux sonores Les caractéristiques physiques d’un signal sonore Eléments de Psycho Acoustique Signaux sonores

Les différentes pressions La pression atmosphérique La pression acoustique instantanée La pression acoustique Signaux sonores

Généralités Audibles par l’oreille humaine Issus de la vibration d’un émetteur (corde de guitare, cordes vocales, vibration tranches d’air, membrane de haut-parleur…) Correspondent à des variations de la pression atmosphérique Signaux sonores

La pression atmosphérique Elle est liée au nombre de molécules d’air présentes à leur agitation thermique Elle est mesurée avec un manomètre Unité: le Pascal Pa La Pression atmosphérique moyenne est de l’ordre de 105Pa Organisation statistique des "molécules d'air" en l'absence de bruit Signaux sonores

Variation de la pression atmosphérique Instant : t1 t2 t3 t4 t5 Source de bruit x Onde de surpression et de dépression Variables = ‘x’ et ‘t’ Pas de déplacement macroscopique de la matière Sans matière, pas de signal sonore Vitesse de propagation de l’onde sonore dans l’air : v = 340 m/s (dépend des conditions expérimentales) Question : Dans de nombreux films de science fiction, les combats dans l’espace sont illustrés de bruits de tir et d’explosion. Qu’en pensez-vous? Signaux sonores

Pression acoustique instantanée p(t) Pression atmosphérique P(t) C’est la grandeur qui traduit la variation de la pression atmosphérique P(t), relativement à la Pression atmosphérique moyenne P0 = 105Pa, en fonction du temps. p(t) = P(t) – P0 Ordres de grandeur Jardin tranquille : pmax=3mPa Conversation courante: pmax=30mPa Tonnerre: pmax=30 Pa p(t1) p(t2) t1 t2 P0 (105 Pa) t Pression acoustique instantanée p(t) = P(t) – P0 Surpression : p(t)>0 Dépression : p(t)<0 t Signaux sonores

Définition de la valeur efficace d’un signal Soit s(t) un signal. La valeur efficace Seff de s(t) est la racine carré de la valeur moyenne de s(t) préalablement élevée au carré : Propriétés Seff = 0 si et seulement si pour tout t, s(t) = 0 (signal toujours nul) Si s n’est pas un signal nul, Seff > 0 Si pour tout t, s1(t) > s2(t) alors S1eff > S2eff Exercice : Calculez la valeur efficace d’un signal sinusoïdal centré d’amplitude Smax. Signaux sonores

Introduction à la notion de pression acoustique Un bruit sera d’autant plus fort que la pression atmosphérique instantanée aura des variations plus importantes de part et d'autre de P0= 105 Pa.  Un bruit sera d'autant plus fort que les variations de p(t), la pression acoustique instantanée, seront plus importantes. Exemple : Ici B2 est plus intense que B1. B2 10 5 P(t) B1 p(t) temps Signaux sonores

Introduction à la notion de pression acoustique La valeur moyenne de la pression acoustique des bruits B1 et B2 est nulle : ce n’est pas un bon indicateur du niveau de bruit.  Pour mesurer le niveau de bruit, on utilise la valeur efficace de p(t). Signaux sonores

La pression acoustique On appelle pression acoustique la valeur efficace de la pression acoustique instantanée p(t) et on la note p. Exemple : B2eff>B1eff : le son B2 est « plus fort » que le son B1 Ordres de grandeur Jardin tranquille : p=2mPa Conversation courante: p=20mPa Tonnerre: p=20 Pa t p(t) B1eff B2eff Signaux sonores

Les spectres des signaux sonores

Son pur / Son composé Son pur : signal périodique sinusoïdal dont le spectre contient donc un seul coefficient non nul. Ex. : Un diapason émet un son pur (La 440Hz) Son complexe : signal périodique dont le spectre contient plusieurs coefficients non nuls. Ex. : La grave sur un piano f 440Hz Signaux sonores

Spectre de la voix heed Le flux d’air provenant des poumons est périodiquement interrompu par les vibrations des cordes vocales  il en résulte un son. Le conduit vocal possède une réponse en fréquence qui comprend des fréquences de résonance : les formants.  Les fréquences des formants apparaissent comme des pics dans le spectre du son émis au niveau des lèvres.  heed hard Who’d Fréquences en abscisse Les deux premiers formants de chaque syllabe Signaux sonores

Spectre d’un bruit quelconque LI=20log(p/2.10-5) Spectre du bruit émis par un avion à hélices avec et sans contrôle acoustique actif CAA fréquences Signaux sonores

Les caractéristiques physiques d’un signal sonore Signaux sonores

Hauteur d’un son La hauteur d'un son est le paramètre physique qui traduit le caractère subjectif du son perçu, nous faisant dire que ce son est grave ou aigu. Entre ces deux sensations extrêmes il existe une échelle de hauteurs dont le milieu est appelé médium. La fréquence est le paramètre physique qui correspond à la hauteur. On définit les son aigus pour f > 8000Hz les sons graves pour f < 200Hz les sons médium pour 250Hz< f < 6000Hz Haut médium et bas medium entre les 2 Signaux sonores

Niveau d’Intensité Sonore Définition : LI = 10log(I/I0) (en dB) avec I0=10-12 W.m-2 I est l’intensité sonore. Unité: W/m2 C’est l’énergie émise par unité de surface. Elle est proportionnelle à la pression acoustique au carré : p2 (onde progressive sphérique ou plane). LI est la grandeur physique qui est censée bien représenter la sensation de l’oreille à l’écoute d’un son d’intensité I.  « La sensation de l’oreille varie comme le logarithme de l’excitation » Signaux sonores

Niveau d’Intensité Sonore LI = 10log(I/I0) La source O émet la puissance P (en Watt). 1m2 de sphère reçoit l’énergie I. P I Signaux sonores

Niveau d’Intensité Sonore Sensation LI = 10log(I/I0) Excitation I Signaux sonores

Niveau d’Intensité Sonore Sensation proportionnelle à l’Excitation au logarithme de l’Excitation I/I0 LI=10log(I/I0) (en dB) 10 100 20 1000 30 x10 +10 x10 +10 y = x-1 y=log(x)  sensation Signaux sonores X  excitation

Niveau d’intensité sonore et risques pour l’audition Signaux sonores

Eléments de Psycho Acoustique Signaux sonores

Champ auditif humain Exercice Complétez l’échelle à droite du graphe Quelles sont les fréquences minimales et maximales audibles ? Quelle est la bande passante d’une voix ? D’un morceau de musique ? Signaux sonores

Champ auditif humain Question : quelle la bande passante du RTC ? Commentez… 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 Signaux sonores

Courbes de Fletcher et Munson = Courbes d’égales sensations sonores = Courbes isosoniques Tracé des courbes : On prend une fréquence de référence (ex. : 1000Hz) et on fixe un niveau acoustique Pour chaque fréquence f audible, on recherche le niveau donnant la même sensation de force sonore. I ( Wm-2) p ( Pa) LI (dB) Seuil d’audibilité Seuil de douleur A niveau fixé, la sensation de l’oreille varie avec la fréquence Sensibilité moins forte aux basses et hautes fréquences Signaux sonores

Courbes de Fletcher et Munson p ( Pa) LI (dB) I ( Wm-2) Seuil de douleur Seuil d’audibilité Exercice : A quel niveau d’intensité sonore doit-on émettre un son de fréquence 100Hz pour qu’il soit perçu avec la même force qu’un son de 1000Hz et d’intensité 20dB ? Signaux sonores

Utilisation des propriétés de l’isosonie en compression audio musique p ( Pa) LI (dB) I ( Wm-2) Se séparer des infos superflues? Se séparer des infos superflues? Son inaudible Signaux sonores

L’oreille humaine Signaux sonores

Transmission du signal « Trois oreilles » : l’oreille externe, l’oreille moyenne, l’oreille interne Signaux sonores

L’oreille externe Le pavillon : capte et concentre les ondes sonores Le conduit auditif : rôle de protection (corps étrangers, poussières) et renforce les signaux sinusoïdaux dont les fréquences sont situées autour de 3000Hz = système microphone directionnel bonnette anti-vent Le tympan : membrane fine qui transmet l’énergie acoustique à la chaîne des osselets sous forme d’énergie mécanique Signaux sonores

L’oreille moyenne Fenêtre ovale Trompe d’Eustache (égalisation de pression) Le marteau L’enclume L’étrier Adaptation d’impédance entre le milieu « air » et le milieu « liquide » Amplification des signaux acoustiques de 25 dB environ (rapport des surfaces du tympan et de la platine de l’étrier) Protection de l’oreille interne La chaîne des osselets : assure une transmission globale des vibrations tympaniques au liquide de l’oreille interne par vibration de la fenêtre ovale = capteur du microphone Signaux sonores

L’oreille interne Les canaux semi-circulaires (équilibre) Liquide: (périlymphe) Fenêtre ovale La cochlée ou limaçon : est le siège des cellules ciliées auditives (environ 24000) fonctionnant à la manière d’un transducteur d’énergie mécanique en énergie nerveuse Le nerf auditif Signaux sonores

Cheminement du « signal sonore » rampe vestibulaire (avec Périlymphe) Basses Fréquences membrane de Reissner membrane tectorienne (stimule les cellules ciliées) cellule ciliée fibre nerveuse membrane basilaire Hautes Fréquences rampe tympanique Coupe du conduit du limaçon Perception des fréquences sur la cochlée Signaux sonores

Bibliographie http://www.bernafon.com Acoustique physiologique et éléments de perception psycho acoustique, Eugène M’Paya Kitantou, Techniques et production audiovisuelles, INA Les instruments de l’orchestre, Bibliothèque POUR LA SCIENCE Signaux sonores